Ото Фриш
Относно възможността да се конструира въглищен реактор

От редактора. Приведената по-долу статия е препечатана от Годишника на Кралския институт по използуване на енергетичните ресурси за 40 805 година, стр. 1001.

Във връзка с острите кризи, предизвикани от заплахата, че урановите и ториевите залежи на Земята и на Луната са изчерпани, редакцията смята за полезно да направи всичко за най-широкото разпространяване на информацията, която се съдържа в тази статия.

Въведение. Откритите наскоро едновременно на няколко места въглища (черни вкаменени останки от древни дървета) предоставят интересни възможности за създаването на неядрена енергетика. Някои местонаходища носят следи на експлоатирането им от предисторическите хора, които, изглежда, са употребявали въглищата за направата на ювелирни изделия и да си чернят лицата по време на погребалните церемонии.

Възможността да се използуват въглища в енергетиката е свързана с факта, че те лесно се окисляват, при което се създава висока температура с отделяне на енергия приблизително 0,0000001 мегават-дни на грам. Това, разбира се, е твърде малко, но очевидно запасите от въглища са големи и се изчисляват на милиони тонове.

За главно преимущество на въглищата трябва да се смята тяхната твърде малка в сравнение с радиоактивните материали критична маса. Както е известно, атомните електроцентрали стават икономически неизгодни при мощност под 50 мегавата и електростанциите с въглища могат да се окажат напълно ефективни в малките населени пунктове с ограничени енергетични нужди.

Проектиране на въглищни реактори. Главната трудност се състои в създаването на самоподдържаща се и контролирана реакция на окисляване на топливните елементи. Кинетиката на тази реакция е значително по-сложна от кинетиката на ядреното делене и е все още твърде слабо изучена. Наистина вече е получено диференциалното уравнение, което описва приблизително този процес, но неговото решаване е възможно само в най-простите частни случаи. Ето защо предлагаме корпусът на въглищния реактор да се изготви във формата на цилиндър с перфорирани стени. През тези отверстия ще излизат продуктите от горенето. Вътрешният цилиндър, коаксиален^[1] с първия и също перфориран, ще служи за подаване на кислорода, а топлоизлъчващите елементи ще се поставят в пространството между цилиндрите. Необходимостта да се затварят цилиндрите в краищата с челни плочи създава трудна, макар и разрешима математическа проблема.

Топлоизлъчващи елементи. Тяхното производство е очевидно по-малко сложно от произвеждането на елементите за ядрените реактори, тъй като не е необходимо да се затваря горивото в обвивка, която в този случай е дори нежелателна, понеже би затруднявала достъпа на кислород. Бяха изчислени различни типове решетки и най-простата от тях — пресовани сфери — явно е напълно задоволителна. Пресмятането на оптималните размери на тези сфери и допустимият толеранс се намират в стадий на завършване. Въглищата се обработват леко и производството на такива въглищни сфери няма да представлява сериозна трудност.

Окислител. Чистият кислород идеално подхожда за тази цел, но той е скъп и най-евтин негов заместител е въздухът. Но не бива да се забравя, че въздухът се състои от 78 процента азот. Ако само една част от азота се свърже с въглерода, като образува отровния газ циан, дори и тя ще бъде източник на сериозна опасност за здравето на обслужващия персонал (вж. по-долу).

Управление и контрол. Реакцията настъпва само при твърде висока температура (988 градуса по Фаренхайт). Тази температура ще се получи най-лесно, като между външния и вътрешния цилиндър на реактора се пропуска електрически ток няколко хиляди ампера при напрежение не по-ниско от 30 волта. Затова челните плочи ще трябва да се направят от изолираща керамика и те заедно с обемистите батерии на акумулаторите значително ще повишат стойността на съоръжението. За задействуване може да се използува всяка реакция със самозапалване, например между фосфор и водороден прекис, и тази възможност не бива да се изпуска предвид.

Протичането на реакцията след пускането може да се контролира, като се регулира подаването на кислорода, което е почти така просто, както управлението на обикновените ядрени реактори с помощта на регулиращи прътове.

Корозия. Стените на реактора ще трябва да издържат температура над 1000 градуса по Келвин в атмосфера, която съдържа кислород, азот, въглероден окис и въглероден двуокис, серен двуокис и различни примеси, много от които са още неизвестни. Само малко метали и специална керамика могат да издържат при подобни условия. Разбира се, най-добре би било да се използува никелиран ниобий, но възможно е да се наложи употребата на чист никел.

Техника на безопасността. Най-сериозната заплаха за обслужващия персонал са отделящите се от реактора отровни газове. В състава на тези газообразни продукти освен изключително токсичните окиси на въглерода и серния двуокис влизат също така някои канцерогенни съединения като фенантрена. Изхвърлянето им непосредствено в атмосферата е недопустимо, защото това ще доведе до замърсяване на въздуха в радиус от няколко мили. Затова трябва тези газове да се събират а контейнери и да се подлагат на химична детоксификация или като се смесват с водород, с тях да се пълнят големи балони, които да се пускат във високите слоеве на атмосферата. При боравене както с газообразните, така и с твърдите продукти на реакцията трябва да се използуват стандартните методи за дистанционно управление. След обезвредяването на тези продукти най-добре е те да се потопяват в морета.

Съществува възможност, макар и малко вероятна, подаването на окислителя да се изплъзне от контрола. Това би довело до разтопяване на целия реактор и до отделяне на огромно количество отровни газове. Последното обстоятелство представлява главен аргумент против въглищните и в полза на ядрените реактори, които през последните няколко хиляди години доказаха своята безопасност. Ще минат вероятно десетилетия, преди да бъдат разработени достатъчно надеждни методи за управляване на въглищните реактори.

Бележки за автора

Ото Фриш е известен австрийски учен физик-теоретик, един от основоположниците на атомната физика, приятел и съратник на Нилс Бор. През 1930 г. заедно с Лизе Майтнер Фриш даде теоретично обяснение на делението на урановите ядра — явление, което лежи в основата на съвременната ядрена енергетика.

В годините на хитлеровата диктатура той бе принуден да напусне родината си и да замине за Англия.